CFD介绍

CFD计算方法介绍CFD计算方法介绍郁程郁程[e-mail]//ibli@[e-mail]流体力学的研究方法‹实验‹理论‹理论‹CFD钝体绕流问题——CFD的重要性钝体绕流问题——CFD的重要性带自由面圆柱兴波情况CFD的概念{计算流体力学（Computationalfluiddynamics—CFD）是一门通过数值方法求解流体控制方程组来预测流体的流动、传热、传质、化学反应等相关物理现象的学科。{CFD结果与分析有助于:z新产品的概念设计(虚拟样机)新产品的概念设计(虚拟样机)z产品详细设计z产品问题查找与分析z产品重新设计与修改z产品重新设计与修改{CFD分析是测试与实验的补充工具:z减少实验次数降低实验成本z减少实验次数，降低实验成本。z帮助设计实验HowDoesCFDWork?{FLUENTsolversarebasedonthefinitevolumemethod.将计算域离散成有限数量的控制体（z将计算域离散成有限数量的控制体（网格）z在控制体上求解质量动量能量ControlVolumez在控制体上求解质量、动量、能量、组分等守恒非常∫∫∫∫+⋅∇Γ=⋅+∂dVSdddVφφρφρAAVFluidregionofpipeflowisdiscretizedintoafiniteset∫∫∫∫+⋅∇Γ=⋅+∂VAAVdVSdddVtφφφρφρAAVUnsteadyConvectionDiffusionGenerationofcontrolvolumes(mesh).EquationVariableContinuity1z偏微分非常离散为代数方程组Continuity1XmomentumuYmomentumvZmomentumwEnergyhz数值求解代数方程组EnergyhCFDModelingOverviewSolver‹MeshPre-Processing‹Solid‹TransportEquationszMass‹PhysicalModels‹MeshGenerator‹SolidModelerzMass„Speciesmassfraction„PhasevolumefractionMomentum‹PhysicalModelszTurbulencezCombustionzRadiationzMomentumzEnergy‹Equationsofstate‹SupportingphysicalmodelszMultiphasezPhaseChangezMovingZonesSolverSettingszMovingMesh‹MaterialProperties‹BoundaryConditionsPtPi‹BoundaryConditions‹InitialConditionsPostProcessingCFD软件一般分为三部分：前处理器、解算器和后处理器TheBasicSteps{Step1：物理问题的分析与前处理——最关键的一步！{Step1.1：定义模拟的目标{Step12确定模拟的计算域范围{Step1.2：确定模拟的计算域范围{Step1.3：设计与生成网格{Step2：解算器执行p解算执行{Step2.1：设置数值模型{Step2.2：计算并监控解的过程{Step3：后处理{Step3.1：检查计算结果{Step32：分析并考虑如何修正模型{Step3.2：分析并考虑如何修正模型Step1.1：定义模拟的目标：{用CFD软件解决问题时最重要的是对物理问题的分析，定义适当的模拟目标、对物理问题合理简化、确定合适的模拟方法。在定义模拟目标时，需清楚地回答如下一些问题：{（1）需要得到什么样的结果（如压力降，质量流率或阻力等）？这些结果将被如何使用？要回答这个问题，需分析：z物理问题中包含哪些物理现象（如湍流、可压缩性、辐射等），物问题中含哪物现象如湍流可压缩性辐射等z哪个或哪几个物理现象是主要的，哪些是次要的；z考虑哪些是必须作简化假设的；可以做那些简化假设（如对称简化周期性简化等）z可以做那些简化假设（如对称简化、周期性简化等）；z最后考虑软件中有哪些模型可以解决我们的问题，还有哪些物理现象需要编写特有的UDF来解决。Step1.1：定义模拟的目标：{（2）需要什么样的模拟精度？z模拟的精度要合理，并不是越高越好。{（3）需要多长时间得到计算结果？z模拟的周期也影响着我们目标的确定，如果时间紧就需要更多的简化如果时间宽松就可以模拟得更加详细些更多的简化，如果时间宽松就可以模拟得更加详细些。Step1.2：确定模拟的计算域范围：{假如关心的问题是旋流分离器的分离效果，对周围管道、阀等部件不关心件不关心。{那么我们就可以将其中的旋流分{那么我们就可以将其中的旋流分离器从整个系统中分割出来，而不必对整个系统进行模拟。{而分割出来的旋流分离器的进口和出口可以给出一组边界值，通和出可以给出界值过分析就可以模拟出旋流分离器的特性。Step1.3：设计与生成网格{quad/hexgridortri/tetgridorhybridgrid?TriangleQuadrilateralz几何与流动复杂程度如何?z是否需要使用non-conformal网格?TriangleQuadrilateral{在计算域中每个部位需要什么样的网格分辨率?辨TetrahedronHexahedronz是否足够分辨关键几何?z是否足够模拟梯度大的位置?z需要使用网格自适应加密网格?PidPi/Wdz需要使用网格自适应加密网格?{是否有足够的内存/CPU能力?z需要多少网格?PyramidPrism/Wedgez需要使用多少模型?Tri/Tetvs.Quad/HexMeshes{对于简单的几何，一般情况下四边形/六面体网格的质量较高，而且单元数量较少（相对于三角型/四单元数量较少（相对于三角型/四面体网格而言）。z如果网格线与流动方向一致时，四边形/六面体网格还可以降低伪扩散。{对于复杂几何，四边形/六面体网对于复杂几何，四边形/六面体网格并没有特别的优势，而三边形/四面体网格对复杂几何的适应能力很强，建议使用三边形/四面体网很强，建议使用三边形/四面体网格。z网格线与流动方向一般不会一致判定网格质量好坏的标准{网格数量要足够，尤其是要能足够分辨关键几何；{梯度大的地方网格密，梯度小的地方网格可以疏（以节约{梯度大的地方网格密，梯度小的地方网格可以疏（以节约计算资源）；{网格从密到疏的过渡要均匀；网格从密到疏的过渡要均匀；{网格等角度扭曲率要尽可能小，一般情况下四面体网格的等角度扭曲率小于0.85，六面体网格的等角度扭曲率小于0.8，复杂几何的非关键位置此要求可适当放松；{六面体网格长宽比要尽可能小，一般情况下不大于1：2，边界层网格等特殊情况下可适当放松此要求；{根据几何复杂程度和流动特点合理搭配使用四面体和六面体网格体网格。AdaptionExample–2DPlanarShell{Adaptgridinregionsoflargepressuregradienttobetterresolvethesuddenpressureriseacrosstheshock.Largepressuregradientindicatingashock(poorresolutiononcoarsemesh)InitialMeshPressureContoursonInitialMesh2DPlanarShell–AdaptedMeshandSolution{Solution-basedmeshadaptionallowsbetterresolutionofthebowshockandexpansionwave.Meshadaptionyieldsmuch-improvedresolutionofthebowshock.AdaptedcellsinlocationsoflargepressuregradientsAdaptedMeshPressureContoursonAdaptedMeshStep2.1：设置数值模型{对于给定的问题，需要作如下工作：z选择物理模型，如湍流、燃烧、多相流等选择物理模型，如湍流、燃烧、多相流等；z定义材料属性，如流体、固体、混合材料等Solvinginitiallyin2Dwillprovidevaluableexperiencewiththe等；z指定工作条件；z指定边界条件；experiencewiththemodelsandsolversettingsforyourprobleminashort指定界条件z提供初始值；z设置解算器控制参数，如松弛因子、库朗数等pamountoftime.数等z设置收敛监控曲线.Step2.2：计算并监控解的过程{离散守恒型方程是通过数值迭代的过程进行计算的，直到收敛。判断收敛的标准是准是：z迭代一定的次数；z残差降低一定的量级，一般情况下需要降Aconvergedandgrid-independentsolutionon残降低定级般情况需要降低3个以上量级；z残差不再进一步降低，即残差曲线直到平直；pawell-posedproblemwillprovideusefulengineeringresults!直；z全局守恒量达到平衡（如管道的流量进出口数值相等）或特征物理量曲线平直（如阻力、升力等）阻力、升力等）{收敛解的精度主要与下列因素有关：z物理模型的精度格的分辨率z网格的分辨率z问题的设置Step3.1：检查计算结果{计算收敛后，需检查结果并提取有用的数据。一般情况下，可通过彩色图像、曲线和具体物理量的数值报告来提取数据。图像和曲线可以理量的数值报告来提取数据。图像和曲线可以帮助我们回答如下一些问题：z全局流态是否合理？某些区域是否出现了分离？Examineresultstoensurepropertyconservationandz某些区域是否出现了分离？z什么地方形成激波、剪切层等？z关键的流动特性是否准确计算出来？conservationandcorrectphysicalbehavior.Hihidlb{具体物理量的数值报告可以帮助我们定量的分析结果：z力/力矩Highresidualsmaybeattributabletoonlyafewcellsofpoorquality.z力/力矩z平均换热系数z某些物理面的面积分与体积分quality.z通量平衡Step3.2：分析并考虑如何修正模型{物理模型合理？z湍流？z非定常？z可压缩性？z三维效应？z三维效应？{边界条件正确?z计算域足够大?z边界条件的类型恰当?z边界的值合理?{网格足够?{网格足够?z网格自适应以提高计算精度?z解与网格无关?边界的分辨率需要改进?z边界的分辨率需要改进?DemonstrationofFLUENTSoftwareSttFLUENT(thhhld{StartFLUENT(assumethemeshhasalreadybeengenerated).zSetupasimpleproblemzSetupasimpleproblem.zSolvetheflowfield.zPostprocesstheresults.pz串行计算：fluent2d（fluent3d)单机并行计算z单机并行计算：fluent3d–t2z多机并行计算：fluent3d-t4-cnf=host.txt{HosttxtComputer1{Host.txtComputer1Computer1Computer2Computer2pComputer3Computer3(末尾空一行)湍流模型简介WhatisTurbulence?{湍流：非定常、无规则的、非周期性的运动；输运量（质量、动量等）在时间和空间上随机脉动现象。z最明显的流动模态是湍流涡z强化物质、动量和能量的输运{流动属性和速度表现为随机变化{流动属性和